7地基处理-排水固结070416

排水固结法排水固结法排水固结法是目前土木工程广为采用的地基处理方法，通过国内外众多专家学者近50年的共同努力，在排水系统、水荷载预压、水下真空预压、真空井点降水、真空联合堆载预压加固等方面均取得了大量有较高水平和实用价值的成果并在工程中得到广泛的应用。在堆载排水预压法的应用方面，我国已有大量成功经验与应用成果（如广东的高速公路、深圳湾填海等大型堆载预压加固项目）。深圳河真空预压全貌深圳美视妈湾油库海上抛石围堤、海上铺设土工布、回填砂和插板并堆载预压竣工后使用现场四航研究院进行的交通部综合地基加固现场试验（在潮间带插铺土工布、回填砂垫层、插排水板，并用真空气体、水荷载流体和堆砂固体进行三相体联合预压）四航研究院珠海前山水荷载预压加固示意图四航研究院深圳妈湾潮间带真空预压一角（退潮时）排水固结加固机理设计与计算施工工艺质量检验排水固结排水固结法是对天然地基，或先在地基中设置砂井(袋装砂井或塑料排水带)等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载；或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。排水固结常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时，可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力和稳定性。排水固结排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的适用范围适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。但砂井只能加速主固结而不能减少次固结，对有机质土和泥炭等次固结土，不宜只采用砂井法。克服次固结可利用超载的方法。真空预压法适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。降低地下水位法、真空预压法和电渗法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以它适用于很软弱的粘土地基。排水固结法分类根据加压和排水两个系统的不同，派生出多种固结加固地基的方法：美国跨越金山湾南端的Dumbarton桥东侧引道路堤场地，路堤下淤泥的抗剪强度小于5kpa，其固结时间将需要30—40年，为了支撑路堤和加速所预计的2m沉降量,采用如下方案：1、采用土工聚合物以分布路堤荷载和减小不均匀沉降；2、使用轻质填料以减轻荷载；3、采用竖向排水体使固结时缩短到一年以内；4、设置土工聚合物滤网以防排水层发生污染等。加固机理(1)堆载预压加固机理(2)真空预压加固机理(1)堆载预压加固机理预压法：在建筑物建造以前，在建筑场地进行加载预压，使地基的固结沉降基本完成并提高地基土强度的方法。在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减少，地基发生固结变形。同时随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度逐渐增长。在荷载作用下，土层的固结过程就是超静孔隙水压力(简称孔隙水压力)消散和有效应力增加的过程。堆载预压固结法示意图(2)真空预压加固机理真空预压法：在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，增加地基的有效应力。真空预压的原理主要反映在以下几个方面：1)薄膜上承受等于薄膜内外压差的荷载。2)地下水位降低，相应附加应力增加。3)封闭气泡排出，土的渗透性加大。真空预压法示意图真空预压法双层薄膜塑料排水板或袋装砂井集水沟抽真空设备出膜管抽真空滤管淤泥粘土中粗砂垫层及抽真空管道双层真空薄膜一层土工布真空压力表边坡开挖线深圳河真空预压加固软基示意图设计与计算排水固结法的设计，实质上就是进行排水系统和加压系统的设计，使地基在受压过程中排水固结、强度相应增加以满足逐渐加荷条件下地基稳定性的要求，并加速地基的固结沉降，缩短预压的时间。设计与计算堆载预压法处理地基的设计应包括下列内容：1选择塑料排水带或砂井，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度；2确定预压区范围。预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间；3计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形。设计与计算加载预压法设计包括加压系统和排水系统的设计。加压系统主要指堆载预压计划以及堆载材料的选用；排水系统包括竖向排水体的材料选用、排水体长度、断面、平面布置的确定。设计与计算一、加压系统设计目前采用的加压方法包括：堆载法、利用建筑物自重法、降水法、真空法以及联合法等。设计与计算1、堆载预压法堆载预压是在建筑施工前通过临时堆填土、砂、石、砖等散料对地基加载预压，使地基土的沉降大部分或分基本完成，并因固结而提高地基承载力，然后除去堆载，再行建筑施工的一种处理方法。该法适用于各种软粘土地基。设计与计算（1）堆载预压的计算步骤由于软粘土地基抗剪强度较低，无论直接建造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载下地基强度增加到足以加下一级荷载时方可加下一级荷载。计算步骤：先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降。设计与计算1）利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1。一般可根据斯开普顿极限荷载的半经验公式作为初步估算设计与计算斯开普顿极限荷载设计与计算饱和软粘土条形填土，可根据公式估算：设计与计算2）计算第一级荷载下地基强度增长值p1。在p1荷载作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高以后的地基强度为Cu1,其中Cu’为p1作用下地基因固结而增长的强度。一般可先假定一固结度，通常可假设为70%，然后求出强度增量，η为考虑剪切蠕动的强度折减系数。设计与计算3）计算p1作用下达到所确定固结度所需要的时间。达到某一固结度所需要的时间可根据固结度与时间的关系求得。此步计算目的在于确定第一级荷载停歇时间，即第二级荷载开始施加的时间。设计与计算4）根据第二步所得到的地基强度计算第二级所能施加的荷载p2。同样，求出在p2作用下地基固结度达70%时的强度以及所需要的时间，然后计算第三级所能施加的荷载，依次可计算出以后各级荷载和停歇时间。设计与计算5）按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定性验算。如稳定性不满足要求，则调整加荷计划。6）计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。即确定预压荷载卸除的时间，这时地基在预压荷载下所完成的沉降量已达设计要求，所留的沉降是建筑物所允许的。设计与计算2、超载预压对沉降有严格限制的建筑，应采取超载预压法处理地基。经超载预压后，如受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加总应力时，则今后在建筑物荷载作用下地基土将不会再发生主固结变形，而且将减小次结变形，并推迟次固结变形的发生。设计与计算在预压过程中，任意时间地基的沉降量可表示为：可用于：a确定所需的超载压力值ps，以保证使用（或永久）荷载pf作用下预期的总沉降量在给定时间完成；b确定在给定超载下达到预定沉降所需要的时间。设计与计算3、真空预压法真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设竖向排水体，竖向排水体常采用袋装砂井、或塑料排水带。再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，使土中水排出，增加地基的有效应力。设计与计算为了满足某些使用荷载大，承载力要求高的建筑物的需要，1983年开展了真空和堆载联合预压法的研究，实践证明，真空预压和堆载预压的效果是可以叠加的。采用真空和堆载联合预压法已获得过相当130kpa等效荷载的预压效果。设计与计算（1）真空预压的设计设计内容除排水系统外，主要包括：密封内的真空度，加固土层要求达到的平均固结度，竖向排水体的尺寸，加固后的沉降和工艺设计等。设计与计算A.膜内真空度真空预压效果和封闭膜内所达到的真空度大小关系极大。根据国内一些工程的经验，当采用合理的工艺和设备，膜内真空度一般可维持600mmHg左右，相当于80kpa的真空压力，此值可作为最大膜内设计真空度。设计与计算B.加固区内要求达到平均固结度一般可采用80%的固结度。如工期许可，也可采用更大一些的固结度作为设计要求达到的固结度。设计与计算C.竖向排水体一般采用袋装砂井或塑料排水带。真空预压处理地基时，必须设置竖向排水体，由于砂井（袋装砂井或塑料排水带）能将真空度从砂垫层中传至土体，并将土体中的水抽至砂垫层然后排出。若不设置砂井等就起不到上述的作用和加固目的。抽真空的时间与土质条件和竖向排水体的间距密切有关。达到相同的固结度，间距越小，则所需的时间越短.设计与计算袋装砂井间距与所需时间关系设计与计算D.沉降计算先计算加固前建筑物荷载下天然地基的沉降量，然后计算真空预压期间所完成的沉降量，两者之差即为预压后在建筑物使用荷载下可能发生的沉降。预压期间的沉降可根据设计要求达到固结度推算加固区所增加的平均有效应力。设计与计算4、真空—堆载联合预压法对承载力要求高，沉降限制严的建筑物，可采用真空—堆载联合预压法。真空是负压，堆载是正压，通过实际工程测出的效果是可以叠加的。真空—堆载联合预压法示意图4、真空—堆载联合预压法设计与计算真空预压的总面积不得小于基础外边缘所包围的面积，一般真空的边缘应比建筑物基础外缘超出2～3m，另外，每块预压的面积尽可能大，彼此间可搭接或有一定间距。加固面积越大，加固面积与周边长度之比也越大。气密性也越好，真空度也越高。根据现有的材料和工艺设备，每块面积已达3万㎡。当在加固区发现有透气层和透水层时，一般可在塑料薄膜周边采用另加水泥土搅拌桩的壁式密封措施。真空度与加固面积的关系设计与计算5、降低地下水位预压法降低地下水位法是指利用井点抽水降低地下水位以增加土的自重应力，达到预压加固的目的。最适用于砂性土或在软粘土层中存在砂或粉土的情况。对于深度的软粘土层，为加速其固结，往往设置砂井并采用井点法降低地下水位。当应用真空装置降水时，地下水位约可降低5～6m，产生的预压荷载为50～60kpa，相当于3m左右的砂石堆载。若需要更深的降水时，则需要用高扬程的井点法。轻型井点降水轻型井点降水滤管及沉管滤管及沉管设计与计算6、利用建筑物自重加压法直接利用建筑物自身重量，分期施工，使地基在前期荷载下固结，强度提高到满足下一级荷载再继续施工，如此反复，直至建筑物竣工，达到使用荷载。由于在施工过程中，地基逐渐发生固结沉降，至建筑物使用时沉降大部分完成。该法不需要另外的加载系统，经济有效。适用于某些对沉降要求不严格（能够适应较大变形），而以地基稳定性为控制条件的建筑物，如路堤、土坝、油罐等。设计与计算二、排水系统设计1）竖向排水体材料选择2)砂井或塑料排水带直径3)砂井或塑料排水带间距4)砂井排列方式5)竖向排水体深度设计6）地表排水砂垫层设计设计与计算二、排水系统设计1）竖向排水体材料选择竖向排水体可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。若竖向排水体长度超过20m，建议采用普通砂井。制作砂井的砂宜用中粗砂，不应有草根等杂物，其含泥量不能超过3%。设计与计算2)砂井或塑料排水带直径普通砂井直径可取300-500mm，井径比为6～8；袋装砂井直径可取70-100mm;井径比为15～20；塑料排水带尺寸一般为100mm×4mm，井径比为15～30。塑料排水带的当量换算直径设计与计算3)砂井或塑料排水带间距可根据地基土的固结特性和预定时间内所要求达到的固结度确定。通常砂井的间距可按井径比n确定。（n=de/dw,de为砂井的有效排水圆柱体直径，dw为砂井直径）普通砂井的间距可按n=6-8选用；袋装砂井或塑料排水带的间距可按n=15-20（30）选用。设计与计算3)砂井设计与计算4)砂井排列方式砂井的平面布置可采用等边三角形或正方形排列。以正三角形排列较为紧凑和有效。正方形排列时：